采煤工作面破碎圍巖底板巷穿層鉆孔瓦斯抽采技術(shù)

劉紅星 賈博宇

（河南能源義煤集團(tuán)，河南 義馬 472300）

新義礦為煤與瓦斯突出礦井，目前所有工作面均采用底板巖巷穿層鉆孔（水力沖孔）預(yù)抽煤層瓦斯的區(qū)域防突措施。但11090 工作面中部底板巷層位在二1 煤層底板下8～10 m 的泥巖層內(nèi)，巖性破碎，打鉆施工困難，并且砂質(zhì)泥巖具有遇水易軟化的特性，導(dǎo)致鉆孔封孔時(shí)易出現(xiàn)塌孔、碎巖堵塞等現(xiàn)象，瓦斯抽采效果差。為解決該問題，研究提出圍巖壁后注漿和均壓封孔聯(lián)動(dòng)技術(shù)[1-5]，提高打鉆和封孔質(zhì)量，有效控制鉆孔漏氣通道，提高抽采效果。

1 壁后注漿技術(shù)

1.1 實(shí)施情況

為降低鉆孔施工前漏風(fēng)通道，開展壁后注漿試驗(yàn)。根據(jù)鉆孔封孔堵塞情況判斷該區(qū)域圍巖裂隙主要分布在二1 煤層底板以下2～4 m，為避免漿液進(jìn)入煤體影響注漿效果，設(shè)計(jì)注漿鉆孔終孔位置位于煤巖結(jié)合面以下3 m 處，主要對(duì)圍巖裂隙發(fā)育區(qū)和破碎帶進(jìn)行注漿充填加固。鉆孔按奇數(shù)和偶數(shù)呈雙排交叉布置，控制巷道輪廓線以外20 m 范圍。根據(jù)圍巖裂隙發(fā)育情況，通過注漿鉆孔對(duì)裂隙進(jìn)行多輪次注漿，使?jié){液充分充填和膠結(jié)圍巖內(nèi)的裂隙，起到加固和堵漏作用，有效提高鉆孔瓦斯抽采效果。在11090 中部底板巷93～106 組鉆孔區(qū)域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，共施工117 個(gè)鉆孔，其中一次注漿鉆孔117 個(gè)，二次注漿鉆孔117 個(gè)，三次注漿鉆孔31 個(gè)，四次注漿鉆孔15 個(gè)，五次注漿鉆孔7 個(gè)，六次注漿鉆孔3個(gè)，七次注漿鉆孔1 個(gè)，共注水泥18.8 t。11090 工作面及底板巷示意圖如圖1 所示，壁后注漿示意圖如圖2 所示。

圖1 11090 工作面及底板巷示意圖

圖2 壁后注漿鉆孔示意圖

1.2 注漿流程

（1）注漿鉆孔，每組間距6 m，每組9 個(gè)鉆孔。

（2）施工鉆具采用MQT-130 錨索鉆機(jī)或YT-28 風(fēng)動(dòng)鑿巖鉆機(jī)，鉆頭Φ45 mm。

（3）鉆孔封孔采用4 分注漿管（鋼管），長度4 m，為一根2 m 長實(shí)管和一根2 m 長花管連接。

（4）注漿管固管方式：4 分注漿管捆扎一根2 m 長囊袋PE 注漿管一起送入孔內(nèi)，孔口先用水泥封堵（一次固管），封堵長度300 mm，4 分注漿管外露長度150 mm，PE 注漿管進(jìn)入孔內(nèi)1000 mm。待一次固管施工24 h 后，進(jìn)行二次固管施工。利用封孔泵向孔內(nèi)注漿加固注漿管，水灰比0.8:1，直至注漿管內(nèi)返漿方可停止注漿固管施工。

（5）二次固管注漿施工結(jié)束24 h 后，進(jìn)行圍巖裂隙注漿加固施工，漿液水灰比為1:0.8。

（6）注漿壓力預(yù)設(shè)為3 MPa，注漿壓力持續(xù)穩(wěn)定2 min 后，注漿結(jié)束。

1.3 效果分析

壁后注漿實(shí)施后，2022 年1 月4 日—2 月29日，每7 d 分別對(duì)注漿區(qū)域和未注漿區(qū)域巷道圍巖頂板下沉量和兩幫移近量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析發(fā)現(xiàn)：未注漿巷道兩個(gè)月內(nèi)巷道頂板下沉量最大值17 mm，兩幫移近量最大值28 mm；壁后注漿段巷道下沉量最大值10 mm，兩幫移近量最大值16 mm，壁后注漿對(duì)巷道頂板下沉量和兩幫移近量均有減緩作用。注漿段鉆孔平均瓦斯初始濃度86.6%，抽采48 h 后平均瓦斯?jié)舛?2.4%，未注漿段平均初始瓦斯?jié)舛?2.6%，抽采48 h 后平均瓦斯?jié)舛?0.8%，并且鉆孔孔口漏氣由原來的每組3～4 個(gè)鉆孔下降至每組1～2 個(gè)鉆孔，鉆孔漏氣率降低21.6%，壁后注漿段鉆孔抽采效果提升顯著。通過鉆孔窺視儀觀測(cè)注漿前、后鉆孔發(fā)現(xiàn)，注漿后鉆孔內(nèi)部較完整，裂隙發(fā)育減少，有效降低圍巖頂板下沉量和兩幫移近量，減少巖層裂隙，為施工穿層鉆孔提供有利條件。

2 均壓封孔技術(shù)

2.1 實(shí)施情況

在實(shí)施圍巖壁后注漿后，雖然巖層裂隙有所控制，但傳統(tǒng)封孔工藝依然存在封孔不嚴(yán)等情況。為改進(jìn)封孔工藝，在11090 中部底板巷開展117 個(gè)鉆孔均壓封孔試驗(yàn)，與12030 中部底板巷第二評(píng)價(jià)單元中122個(gè)傳統(tǒng)封孔鉆孔（兩堵兩注）進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。均壓封孔技術(shù)采用雙負(fù)壓進(jìn)行抽放，利用囊袋式封孔器在抽放鉆孔內(nèi)形成主、副抽放腔室，在主、副抽放腔室所產(chǎn)生負(fù)壓的共同作用下，裂隙內(nèi)的抽放負(fù)壓會(huì)二次分布，降低了主抽放腔室與外界的壓差，同時(shí)副抽放腔室所產(chǎn)生的負(fù)壓會(huì)產(chǎn)生屏蔽作用，阻止空氣流向主抽放腔室，從而減少抽放過程中漏風(fēng)，達(dá)到提高瓦斯抽采濃度的目的。鉆孔抽采時(shí)布置2趟抽放管路（主抽放管路、副抽放管路），首先采用兩堵兩注封孔工藝將封孔管連接主抽放管進(jìn)行抽采。兩堵兩注施工完成后，距離孔口2 m 處下一個(gè)活動(dòng)囊袋，囊袋要新穿入一根Φ40 mm 實(shí)管，并包裹原Φ40 mm 實(shí)管。囊袋注漿結(jié)束后，采用氣室注漿管對(duì)氣室密閉段進(jìn)行注漿填充密閉，避免封孔管間隙漏氣，氣室密閉段長度不少于1 m。囊袋注漿壓力0.8～1.2 MPa，注漿頻率1次/秒，達(dá)到設(shè)定壓力，注漿頻率變緩（2～3 秒/次），方可停止注漿；注漿段注漿壓力0.7～1.2 MPa，原則上要達(dá)到1 MPa，提前出現(xiàn)反清水情況可根據(jù)實(shí)際壓力值情況勻速緩慢注漿，實(shí)管內(nèi)返清水和泵憋停方可停止注漿；漿液水灰比1:2；最低注漿量120 kg，現(xiàn)場(chǎng)以實(shí)際為準(zhǔn)，不出現(xiàn)返清水和注漿頻率變緩現(xiàn)象，不得停止注漿。均壓抽放瓦斯封孔技術(shù)示意圖如圖3 所示，穿層鉆孔平面和剖面如圖4、圖5 所示。

圖3 均壓抽放瓦斯封孔技術(shù)圖

圖4 穿層鉆孔布置平面圖 （m）

圖5 穿層鉆孔布置剖面圖（m）

2.2 應(yīng)用效果

鉆孔施工封孔連抽后，對(duì)瓦斯抽采濃度進(jìn)行了40 d 的跟蹤考察，分別對(duì)鉆孔封孔后的初始濃度、第48 小時(shí)濃度及10 d、20 d、30 d、40 d 瓦斯?jié)舛鹊钠骄颠M(jìn)行對(duì)比分析。采用傳統(tǒng)封孔工藝的鉆孔組當(dāng)月平均抽采濃度20.4%，純流量0.21 m3/min，瓦斯抽采量6 745.26 m3，各鉆孔平均初始濃度為65.6%，40 d 后平均瓦斯抽采濃度為14.8%，濃度衰減較快，表明在初始抽放時(shí)存在一定程度的漏風(fēng)，而且隨著抽放時(shí)間的進(jìn)行，漏風(fēng)程度進(jìn)一步擴(kuò)大。采用均壓封孔工藝的鉆孔組當(dāng)月抽采濃度46.8%，純流量1.9 m3/min，瓦斯抽采量18 521.26 m3，平均初始瓦斯抽采濃度為76.2%，40 d 后平均瓦斯抽采濃度為27.8%，比傳統(tǒng)的封孔工藝瓦斯抽采濃度提高13%，瓦斯抽采各項(xiàng)指標(biāo)均明顯提升。

3 結(jié)論

（1）通過研究壁后注漿工藝和流程，在11090工作面中部底板巷對(duì)圍巖裂隙進(jìn)行多輪次注漿，充填和膠結(jié)圍巖內(nèi)的裂隙，減少巖層裂隙和鉆孔施工前漏風(fēng)通道，為穿層鉆孔施工和后期沖孔、封孔等提供保障。

（2）通過對(duì)比壁后注漿前后的各項(xiàng)瓦斯抽采數(shù)據(jù)，注漿段鉆孔平均初始濃度86.6%，抽采48 h 后平均濃度72.4%，而未注漿段平均初始濃度72.6%，抽采48 h 后平均濃度60.8%，并且鉆孔孔口漏氣由原來的每組3～4 個(gè)鉆孔下降至每組1～2 個(gè)鉆孔，鉆孔漏氣率降低21.6%，壁后注漿段鉆孔抽采效果提升顯著。

（3）在傳統(tǒng)兩堵兩注封孔工藝基礎(chǔ)上，試驗(yàn)均壓封孔技術(shù)。在主、副抽放腔室所產(chǎn)生負(fù)壓的共同作用下，裂隙內(nèi)的抽放負(fù)壓會(huì)二次分布，降低了主抽放腔室與外界的壓差，同時(shí)副抽放腔室所產(chǎn)生的負(fù)壓會(huì)產(chǎn)生屏蔽作用，阻止空氣流向主抽放腔室，從而減少抽放過程中漏風(fēng)。

（4）通過均壓封孔對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用均壓封孔工藝的鉆孔組當(dāng)月抽采濃度46.8%，純流量1.9 m3/min，瓦斯抽采量18 521.26 m3，平均初始瓦斯抽采濃度為76.2%，40 d 后平均瓦斯抽采濃度為27.8%，比傳統(tǒng)的封孔工藝瓦斯抽采濃度提高13%，瓦斯抽采各項(xiàng)指標(biāo)均明顯提升，有效提高封孔質(zhì)量。

（5）兩種技術(shù)聯(lián)動(dòng)后，有效降低鉆孔施工前和封孔后兩類漏風(fēng)通道，有效提高瓦斯抽采效果。